Instrumentering och tillståndskontroll av betongdammar

Instrumentering och tillståndskontroll av betongdammar SwedCOLD Temadag Stockholm 10 oktober, 2007 Christian Bernstone

Disposition 1. Inledning Bakgrund till doktorandprojektet Förvaltning av betongdammar Syfte & mål 2. Metoder och applikationer Utgångspunkter TDR / Upptryck TDR / Deformationer GPS / Dammkrön Bildanalys / Sprickor 3. Nytta 4. Förslag till fortsatt arbete

Doktorandprojektet n Tillståndskontroll av betongdammar genom instrumentering för automatisk övervakning n Projekt i forskningskonsortiet Väg/Bro&Damm/Tunnel (VBT) n Disputation 30 november 2006 n n Finansiering: n n n Vinnova LTH Elforsk och Vattenfall Avdelningen för Teknisk Geologi vid LTH n Handledning av Docent Peter Ulriksen n Industrihandledning av Professor Jan Alemo

Process för teknisk förvaltning Konstruktionsövervakning TEKNISKA LÖSNINGAR VAL AV ÅTGÄRDER KRAV- STÄLLANDE TILLSYN OCH TILLSTÅNDS- BEDÖMNING GENOM- FÖRANDE AV ÅTGÄRD UPPFÖLJNING GENOMFÖRD ÅTGÄRD h Rätt metod h Rätt tidpunkt h Rätt kvalitet h Rätt ekonomi h Rätt prioritering av åtgärder

Konventionell datainsamling i kraftverk VATTENKRAFTVERK INTRANÄT Givare Logger Databas Användargränssnitt h Övervakningssystem finns redan h Ytterligare parallella system är inte önskvärt h Integrering prioriterat h Analys av information som samlas in bör göras via ett gränssnitt h Ansvaret för uppföljning bör ligga på underhållsentreprenören

Beståndet av Betongdammar 20 1939 Medelålder 69 år Number of dams 15 10 5 80% Betong (212 st) 0 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year

Syfte och Mål Syfte n Ta fram goda exempel på hur betongdammar kan instrumenteras: Möta krav på hög säkerhet Skaffa tekniskt stöd i beslut som rör underhåll och reparationer Mål n Anpassa och utveckla metodik för automatiserad övervakning

Bakgrund VBT-projektet h Krav på dammägare tillgodoses idag till stor del genom platsbesök h Personella resurser har minskats och används annorlunda h Beslutsunderlag måste i ökad utsträckning samlas in på andra sätt h Automatiserad övervakning är ett bra komplement, med information i sammanhängande tidsserier

Övervakning: Samverkansfunktioner h Funktions- och dammsäkerhetskrav ger funktionskrav för konstruktionsdelar Vattenkraft Anläggningsnivå Konstruktionsnivå Lamelldamm Massivdamm Utskov Ledmur Tilläggssystem Konstruktionsdelsnivå Grundläggning Uppströmsdel Nedströmsdel Massivdel Inspektionsgång h Samverkan bör följas upp genom tillsyn och mätningar h Tre lämpliga parametrar att kontrollera: 1. Dammens rörelser i dammkrön 2. Upptryck mellan betong / grundläggning 3. Aktivitet för utbildade sprickor i kritiska snitt

Metodval Fokus på idag ej konventionella metoder: Nya mätmetoder Konventionella metoder på ett sätt som ger nya tillämpningar Kostnad, enkelhet & prestanda GPS TDR Kamera Rörelser Tryck Rörelser Rörelser

Konstruktioner fältstudier Porjus Älvkarleby Alvik

Upptryck under betongdammar Injekteringsskärm

Princip TDR-instrument sänder ut elektromagnetiska pulser och mäter reflexer som alstras när pulsen möter förändringar i omgivande miljö Reflexens styrka beror av lokala impedansförändringar: 1. Kontakt med luft 2. Kontakt med vatten 3. Lokal mekanisk påverkan

Lägesbestämning av vattenyta Reflektionskoefficient -0.80-0.40 0.00 0.40 0.80 0.0 Mätdator TDR Tank Gränslinje Inget vatten Plexiglasrör Längd [m] Tomt rör Höjd: 6 meter TT Ventil Avlopp Tolkad skenbar vattennivå 6.0 Vatten

Installation Storfallsdammen 14 TDR-givare 4 3Plaströr 2 1 Vatten Cement Sand

Vattennivån i magasinet påverkar upptrycket 6.0 Kl. 12 Kl. 14 Kl. 16 Vattentryck [m] 5.5 5.0 1.0 0.5 0.0 Vattenyta Vattenyta BH3 Vattenyta BH4 BH4 Vattenyta 4 3 2 1

4-Dec 6-Dec 8-Dec 2-Dec 30-Nov Upptrycket kan variera snabbt 10 5 0-5 -10 5.5 5.0 2.0 BH2 Vattentryck [m] Temperatur [ C] 1.5 1.0 10-Nov 12-Nov 14-Nov 16-Nov 18-Nov 20-Nov 22-Nov 24-Nov 26-Nov 28-Nov 4 3 2 1

Temperature [ C] Upptryck under Storfallsdammen 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 6.0 5.5 Vattennivå 5.0 Reservoir head [m] 4.0 3.5 BH2 3.0 BH4 2.5 BH3 2.0 1.5 1.0 BH1 0.5 4 3 2 1 0.0 01 01 01 02 January 2006 02 03 03 04 04 05 05 06 06 07 07 07 08 08 09 09 10 10 11 11 12 12 12 December 2006

Slutsatser Metoden: Upptrycksmätningar med TDR fungerar väl Ett instrument kan mäta ett stort antal mätpunkter Upptrycket påverkas av: Reservoarens vattennivå Rörelser och tvång i dammen och i bergmassan Årstidsväxlingar: Varma perioder minskat upptryck Övergång till kalla perioder ökat upptryck Kalla perioder minskat upptryck

En utmaning att detektera små deformationer Reflektionskoefficient Reflection coefficient 0,20 0.20 0.16 0.12 0.08 0.04 0,00 0.00 Deformation 12.7 mm diameter koaxialkabel (Su 1997) Measured ρ Calculated ρ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Deformation [mm] Reflektionskoefficient 0,80 0.80 Rho 0.60 0.40 0.20 0.00-0.20-0.40-0.60-0,80-0.80 Vattennivå Inget vatten vatten 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Givarens längd [m] Svaga reflexer! Kraftiga reflexer!

Försök: Skjuvning av ingjuten TDR-kabel Tryckpress TDR

Resultat 2 m kabellängd 57 m kabellängd 0.000 0.000-0.050-0.010 ρ -0.100 ρ -0.020-0.150-0.030-0.200-0.040 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 Avstånd [m] 57.3 57.4 57.5 57.6 57.7 57.8 57.9 Avstånd [m] Små deformationer är detekterbara Dämpning har betydelse vid långa kabellängder Kvantifiering av skada möjlig med nyutvecklad algoritm

Mätresultat vs Modellresultat 14.0 Deformation [mm] 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 57 m 20 m 20 m Measured 20 m Model 57 m measured 57 m model 0.0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 ρ

Porjus kraftstation Fältförsök Övervakning 1½ månad Skadesituation 9 m

Slutsatser: Rörelsemätning med TDR n n n n n På korta avstånd ( 10 m) kan millimeterstora rörelser detekteras På långa avstånd (> 50 m) kan knappa centimeterstora rörelser detekteras Låga kostnader och enkel installation Anslutning kan göras befintligt övervakningssystem Metod väl lämpad för kampanjmätningar

Bakgrund Dammkrönsmätningar genomförs regelbundet Mätdubbar mäts in med Totalstation Dammkrönets läge beror av Reversibla deformationer: Temperatur & vattennivå Irreversibla deformationer: Skador Det är fördelaktigt med långa tidsserier och korta mätintervall Kan övervakningen automatiseras? Hur små rörelser kan detekteras med enkla GPS-mottagare?

Mätprincip Satellit 1 Känd position Range 1 Satellit 2 Känd position Range 2 Range 3 Satellit 4 Känd position Klocksynkronisering Satellit 3 Känd position För positionsbestämning så behöves samtidig mottagning av radiosignaler från minst fyra satelliter. Mottagaren använder inskärning för att beräkna positionen. Informationsbärare: - bärvåg - med modulerad kod

Varianter 1. GPS 2. DGPS 10 meter 0,5-2 meter FM-radio (EPOS), Radiofyrar (SjöV), Geostationära satelliter Lantmäteriverket Lantmäteriverket 3. RTK 4. Relativ mätning 0,5-5 centimeter Regional positionstjänst? centimeter Lantmäteriverket

Metod 4: Relativ mätning 290 m ROVER BASSTATION Dalälven EFTERPROCESSERING

Storfallsdammen (1) b) September 39.338 December 20 North-south component [m] 39.336 39.334 39.332 39.330 39.328 39.326 15 10 5 0-5 -10 Temperature [ C] Ca 10 mm 39.324 09/09 09/16 09/23 09/30 10/07 10/14 10/21 10/28 11/04 11/11 11/18 11/25 12/02 12/09 12/16-15 Rörelser i nord-sydlig riktning

Storfallsdammen (2) c) September 252.920 December 20 East-west component [m] 252.915 252.910 252.905 15 10 5 0-5 -10 Temperature [ C] Ca 5 mm 252.900 09/09 09/16 09/23 09/30 10/07 10/14 10/21 10/28 11/04 11/11 11/18 11/25 12/02 12/09 12/16-15 Rörelser i öst-västlig riktning

Storfallsdammen (3) South --------- North [m] 39.338 39.336 39.334 39.332 39.330 44 41 42 43 45 4445 43 4345 45 41 40 41 46 45 43 46 47 47 42 40 42 48 48 Stopp: 50 50 51 4950 48 50 48 48 4949 49 40 50 10 mm 39.328 39.326 Start: 3738 38 37 40 252.902 252.904 252.906 252.908 252.910 West --------- East [m] 40 7 mm

Test: Kontrollerad Rörelse -x + x N Rover Servomotor Antenn Rover ~ 1.5 m Mottagare Mottagare Kontrollenhet Antenn Basstation

Resultat Rörelser i nord-sydlig riktning Position [m] Difference [m] 0.0015 0.0005-0.0005-0.0015 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000 GPS-position Kontrollposition 2 mm 4 mm 8 mm North-south component [m] 39.500 39.480 39.460 39.440 39.420 39.400 39.380 39.360 39.340 39.320 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 PDOP Time [min] Rörelser i öst-västlig riktning: Standardavvikelse 1.5 mm

Slutsatser Brukslaster ger upphov till reversibla deformationer Tidig upptäckt av irreversibla deformationer kräver kontinuerliga mätserier Relativ GPS-mätning kan användas för dammkrönsövervakning: Positionsbestämning kan göras med 2-3 millimeters noggrannhet Kräver efterprocessering av >90 minuter långa mätserier Enfrekvensgivare ger förhållandevis låg instrumentkostnad Kräver kraftfull kommunikationslänk Vidareutveckling krävs för automatisering

Exempel på problem Inspektionsgång Inspektionsgång

Princip för sprickövervakning Teknisk lösning baserad på metod utvecklad av Prof. Anders Heyden 1995 Tyngdpunkten för respektive prick beräknas, och jämförs successivt med bilder i en tidsserie

Tyngdpunktsbestämning 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 1 5 20 0 0 2 1 3 0 0 0 0 0 0 4 26 total 36 6 Summa intensitetmatris x-led 0 0 0 0 0 X-position = = 128 = 3,56 pixlar 36 0 2 6 4 0 0 2 15 80 0 0 4 3 12 0 0 0 0 0 0 12 97 total 128 19 Sub-pixelnivå Summa momentmatris x-led

Kvantifiering endast beroende av objektavstånd l obj,h l ccd,h L obj,v OBJECT L ccd,v CCD l ccd,v L obj,h L ccd,h l obj,v,h lccd,v,h g f f b δ v, h = PCv, h PCv, h = g g 2 lccd, v, h 1 Lccd, v, h f f 1 l pixel l 1 = δ

Installation Kamerahus Antenn Spricka Kamera GSM-modem Strömförsörjning 40 cm Objektavstånd 30 cm

Testuppställning i labb

Försöksprogram n Slipad yta: Stark belysning Våt Dammig n Grov yta: Stark belysning Våt Dammig

Resultat: Slipad yta & stark belysning Sprickrörelse klocka [mm] Rörelse bildanalys [mm] Fel [mm] 0,100 0,1013-0,001 0,200 0,2119-0,012 0,300 0,2998 0,000 0,400 0,4074-0,007 0,500 0,5177-0,018 0,750 0,7679-0,018 1,000 1,0175-0,017 Pixelstorlek 0,22 mm Standardavvikelse: 0,010 mm

Resultat: Våt yta & stark belysning Sprickrörelse klocka [mm] Rörelse bildanalys [mm] Fel [mm] 0,100 0,1101-0,010 0,200 0,1858 0,014 0,300 0,2990 0,001 0,400 0,4060-0,006 0,500 0,5073-0,007 0,750 0,7687-0,019 1,000 1,0247-0,025 Pixelstorlek 0,22 mm Standardavvikelse: 0,007 mm

Återgivning av markör med olika upplösning 307.200 1.311.000 6.016.000

Fältförsök spårvagnsbro

Fältförsök spårvagnsbro 0.15 Vertical deformation [mm] Horisontal deformation [mm] 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 01-April-2004 Date 04-April-2004 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 01-April-2004 Date 04-April-2004 Sprickrörelser varierar mellan 0,01-0,04 mm Resultatet stämmer överens med vad som kommit fram i ordinarie mätprogram (temperaturrelaterad rörelse)

Slutsatser Metoden fungerar väl under förhållanden som inte påverkar punktens form Fukt och damm kan ställa till problem: Fuktig yta ger reflektioner som kan påverka en punkts form Samma sak gäller för damm Jämn yta underlättar punktberäkningen Deformationer i storleksordningen > 0,02 mm kan detekteras Bättre bild resulterar inte automatiskt i bättre resultat

Nytta Kunskapsnivån om konditionsövervakning av betongdammar har förbättrats Frågeställningar som behöver hanteras med en anläggningspark med hög medelålder har lyfts fram Konditionsövervakning har förutsättningar att enkelt inkluderas med övrig övervakning Ny mätteknik har vidareutvecklats, anpassats och demonstrerats Nya tidsserier för upptryck bekräftar att den upptrycksfördelning som används vid design, inte återspeglas i realiteten: Designmodellen är på säkra sidan Faktisk säkerhet mot vältning och glidning kan vara underskattad Planering av åtgärder kan styras av konstruktionsövervakning: Låga upptryck sommartid gör att injekteringsarbeten då bör undvikas

FoU-processen Forskningen täcker i olika omfattning flera faser av en FOUprocess: Behov Idé Idéförädling Utförande Proof of concept Demo Pilot Implementering Faser En del arbete återstår för att nå implementering

Användning av insamlad information 1) Demonstrera hela värdekedjan för konditionsövervakning, från datainsamling till användning som en del av det övergripande underhållsarbetet: Tydliggöra gränsdragning: Inspektioner på plats / omfattning och inriktning av mätsystem En eller flera pilotstudier, vid minst en underhållsgrupp som är ansvarig för kraftverk och dammar i ett visst område 2) Uppdatera branschgemensam vägledning för hur upptryck skall hanteras vid stabilitetsberäkningar 3) Kalibrera beräkningsmodeller som används för att utvärdera konstruktioners funktion: Deterministiska modeller Probabalistiska modeller

Åldringsprocesser En del av de resultat som framkommit bör undersökas vidare: 1) Undersökningen av Storfallsdammen bör kompletteras: Hur varierar egenskaperna inom en damm? Hur ser situationen ut för andra dammar? 2) Viskositetsförändringar ser ut att minska upptrycket vintertid Samtidig mätning av temperaturer ger bättre möjligheter till att dra slutsatser om dess betydelse 3) Den branschgemensamma uppföljning som görs av hur betongdammar åldras bör formaliseras och förbättras. Dammbeståndet i Sverige har randvillkor som skiljer sig från situationen in andra länder Underlaget är viktigt för att styra framtida FoU

Teknikutveckling Framgångsrik implementering av konditionsövervakning: Kräver integrering till befintliga system Kräver att anläggningsägare tydligt definierar randvillkoren Kräver beredskap av leverantörer att ta fram flexibla systemlösningar 1) GPS: Fortfarande relativt hög kostnad Arbete återstår för att klara automatiserad tekniklösning 2) TDR Små deformationer på stora avstånd Mjukvaruförbättringar 3) Bildanalys Mjukvaruförbättringar 4) Ny teknik Relativ positionsbestämning med hjälp radiofrekvenssändare och mottagare Interferometri

Tack för uppmärksamheten!